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黄河上游沙漠宽谷段粗沙推移质湍流扩散机理研究
结题报告
批准号:
51269009
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
51.0 万元
负责人:
王之君
依托单位:
学科分类:
E0903.水力学与河流动力学
结题年份:
2016
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵廷红、张凤羽、郑直、贾晓鹏、南军虎、宋建树、任倩慧
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中文摘要
黄河上游沙漠宽谷段泥沙淤积以沙漠粗沙为主。粗沙推移质较之砾质推移质而言,其运动表现出显著的湍流扩散特性。粗沙颗粒与湍流涡团相互作用,运动过程极其复杂,进而加速形成黄河上游"新悬河"并导致严重的洪凌灾害。因此,开展粗沙推移质湍流扩散机理研究尤为必要。本项目基于沙漠粗沙颗粒的离散性特点,在开展野外风沙水沙过程观测之基础上,建立粗沙水流运动概化模型试验台;设计基于Matlab图像处理技术的颗粒运动状态可视化自动量测系统,测量试槽垂向水流速度场并统计不同水力因子驱动下的粗沙颗粒起动概率、时空位置及浓度等,采用互相关算法估算颗粒起动速度、瞬时运动速度;辅以建立并优化基于颗粒随机轨道方法的欧拉-拉格朗日固液两相流湍流数学模型,模拟颗粒起动后的湍流扩散过程;探索这种工业界工程热物理中常见的基于CFD的两相流分析方法在河流粗沙推移质湍流扩散机理研究中的应用前景,进而丰富沙漠河流泥沙动力学理论体系及其内容。
英文摘要
The components of sediment deposit in the upper reach of the Yellow river are mainly composed of desert coarse sediment.Compared with the moving characteristics of the gravel bedload,that of the sandy bedload shows significant characteristics of turbulent dispersion.The interaction between coarse sediment and turbulent as well as the whole moving process are both complicated which consequently accelerates the forming process of the new shape in the upper reach of the Yellow River and even causes serious water flood and ice disasters.Therefore,research on the turbulent dispersion mechanism of coarse sediment when necessary is of great importance.Taking into account of the discrete characteristics of desert coarse grains,one generalized model experimental instrument used for coarse sediment motion experiments is to be designed and constructed on the basis of the field observation and measurement on the aeolian-fluvial interaction process,configured with the Matlab image processing-based and visualized and automated measurement of moving coarse grains system for measuring the vertical flow field of the flume as well as collating statistics of the entrainment rate and spatial distributing position and concentration etc.On the basis of which,the cross-correlation algorithm would be used to estimate starting and instantaneous velocities of various coarse grains,thus the Eulerian-Lagrangian two-phase turbulent numerical model based on the stochastic trajectory method would be established and ultimately be verified and optimized to describe the turbulent dispersion process of grains after its starting moving,and by means of which,the CFD-based method of two-phase flow analysis commonly used in Engineering Thermal Physics field in industrial circle would be applied for researching on the turbulent dispersion mechanism of coarse sediment bedload for the prospect of application in river dynamics,which would enrich the theoretical system and the contents of the sediment dynamics of desert and river.
黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程独特而剧烈。“十大孔兑”流域季节交替的风水复合侵蚀作用所诱发的高含沙洪水(泥流)搬运大量沙漠粗沙颗粒入汇干流并沉积于河床底部。离散型沙漠粗沙推移质起动和运动的湍流扩散特性,是导致该区域河床演变及泥沙灾害频发的动力学诱因。因此,基于风水两相交互作用过程物理图景揭示沙漠粗沙推移质湍流扩散机理,就丰富沙漠河流泥沙动力学理论体系而言,具有重要的科学意义;对流域水土流失及泥沙灾害治理,进而维护黄河健康及生态系统稳定来讲,也具有长远而重要的实践指导意义。.本项目重点针对黄河上游沙宽谷段十大孔兑沙漠流域典型的风水复合侵蚀现象开展了风沙水沙及其诱发的高含沙洪水灾害过程原型观测,从流域产沙—河道输沙角度探明了沙漠宽谷河段粗泥沙的来源,首次提出表征不同地表物质组成侵蚀强度的最优粒度指标OGI(C>0.08 mm/C<0.05 mm),进而揭示了流域风水侵蚀产沙致灾的物理过程与内在机制;与此同时,基于对十大孔兑流域不同地貌单元的界定,分别开展了风蚀、水蚀过程动力学机理研究,并通过沙漠粗沙高含沙洪水输沙过程动力学理论分析,开展水沙运移三维数值模拟,提出了修正后的两相浑水水流及泥沙输移数学模型,进而探索性地将风蚀、水蚀过程加以耦合,在进一步明确黄河上游沙漠宽谷段粗沙推移质湍流扩散机理的同时,丰富了沙漠河流泥沙动力学及干旱区风水复合土壤侵蚀理论体系,并对黄河上游沙质河段水利工程设计等提供了有益的参考依据;此外,通过粘性泥流运动机理室内模型试验研究,将沙漠粗沙离散型(非粘性)泥流及粘性泥流这两种自然界常见的高含沙洪水灾害的极端形式进行系统对比,首次提出将液固比首次提出将液固比Sr(泥石流体中水体体积与固体体积之比)作为衡量泥石流起动的状态参量,并证实了泥流运动符合突变理论,从理论本质上进一步揭示了粘性与非粘性泥流运动机理之异同点,强调了并量化了细颗粒含量对高含沙洪水乃至泥流灾害发生发展的重要作用。
期刊论文列表
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DOI:--
发表时间:2015
期刊:自然灾害学报
影响因子:--
作者:王之君;拓万全;李仁年;樊新建
通讯作者:樊新建
Model Tests of Catastrophic Initiation Mode and Transport Mechanism of Viscous Mudflows
粘性泥石流灾害引发模式及输送机制模型试验
DOI:10.2174/1874149501408010439
发表时间:2014-12
期刊:The Open Civil Engineering Journal
影响因子:--
作者:王之君
通讯作者:王之君
DOI:10.1016/j.catena.2016.07.033
发表时间:2016-12
期刊:Catena
影响因子:6.2
作者:Wang, Zhijun;Ta, Wanquan
通讯作者:Ta, Wanquan
DOI:--
发表时间:2016
期刊:干旱区资源与环境
影响因子:--
作者:赵廷红
通讯作者:赵廷红
黄河上游沙漠泥流水沙耦合成灾机理与优化模型研究
  • 批准号:
    42167043
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    37.00万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    王之君
  • 依托单位:
国内基金
海外基金